If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Bağlandığınız bilgisayar bir web filtresi kullanıyorsa, *.kastatic.org ve *.kasandbox.org adreslerinin engellerini kaldırmayı unutmayın.

Ana içerik

Konu: Biyoloji Kütüphanesi > Ünite 17

Ders 3: DNA Replikasyonu
Fen
Biyoloji Kütüphanesi
Genetik Madde Olarak DNA
DNA Replikasyonu
© 2024 Khan AcademyKullanım ŞartlarıGizlilik PolitikasıÇerez Politikası

DNA Replikasyonu Yöntemi: Meselson-Stahl Deneyi

Google Classroom
DNA replikasyonunun yarı korumalı mekanizmasını gösteren çok önemli tarihi deney hakkında bilgi edinelim.

Önemli noktalar:

  • DNA replikasyonu yapan organizmaların bunu nasıl gerçekleştirdiklerini konu alan üç model bulunuyordu: yarı korunumlu, korunumlu ve parçalı (dispersif).
  • DNA'nın yapısına göre en muhtemel olan model, DNA'nın her bir ipliğinin yeni tamamlayan bir iplik oluşturmak üzere şablon olarak kullanıldığı yarı korunumlu modeldir.
  • Bu modeller Meselson ve Stahl tarafından azotun izotopları ile bakteri DNA'sını etiketleyip nesiller boyu takip ederek test edildi.
  • Etiketledikleri DNA'lardan elde ettikleri veriler sonucunda Meselson ve Stahl DNA'nın yarı korunumlu eşlendiğini doğruladı.

DNA replikasyon mekanizması

Şimdi, DNA'nın sarmal yapısının keşfinin hemen ardından 1953'te yaşadığınızı hayal edin1. Sizin ve bilim insanlarının akıllarını kurcalayan ne gibi sorular olabilir?
DNA replikasyonu ile alakalı ortada büyük bir soru vardı. DNA'nın sarmal yapısı replikasyon işleminin nasıl gerçekleştiğine dair küçük bir ipucuydu1,2. Sarmal yapının iki iplik halinde ayrılması ve ayrılan ipliklerin yeni, tamamlayan bir iplik yapılması için şablon olarak kullanılması muhtemel gözüküyordu.
Peki bu doğru muydu? Spoiler uyarısı: Cevap evet! Bu makalede bazen "biyolojinin en güzel deneyi" de denen, DNA replikasyonunun basit mekanizması olan yarı korunumlu replikasyonu yani bir yeni bir eski iplik içeren DNA molekülü oluşmasını anlatan meşhur deneye göz atacağız3.

DNA replikasyonunun üç modeli

Bilim insanları, DNA'nın yapısının keşfinin ardından DNA replikasyonu için üç basit model öne sürdüler. Bu modeller aşağıdaki çizimde gösterilmiştir.
DNA replikasyonu modellerinin şematik gösterimi.
  1. Korunumlu. Replikasyon sonucu, biri tamamiyle yeni iplikten oluşan ve diğeri tamamiyle eski iplikten oluşan iki DNA molekülü oluşur.
  2. Yarı korunumlu. Replikasyon sonucu bir yeni bir eski DNA iipiliği içeren iki sarmal oluşur.
  3. Parçalı. Replikasyon sonucu kısmen yeni kısmen eski DNA içeren iki sarmal oluşur.
_Görselin uyarlandığı kaynak: "Basics of DNA replication: Figure 1," OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)._
  • Yarı korunumlu replikasyon. Bu modelde DNA'nın iki ipliği birbirinden ayrılır ve ayrılan eski iplikler yeni DNA'nın oluşumu sırasında şablon görevi görür. Bunun sonucu olarak bir ipliği eski, bir ipliği yeni olan iki DNA molekülü oluşur.
  • Korunumlu replikasyon. Bu modelde, DNA replikasyonu sonucu, ortaya biri orijinal DNA'ya ait iki iplik içeren (orijinal DNA molekülü ile birebir aynı) ve diğeri orijinal DNA ile birebir aynı dizilime sahip iki yeni üretilmiş iplik içeren iki molekül oluşur.
  • Parçalı replikasyon. Parçalı (dispersif) modelde, DNA replikasyonu sonucu ortaya yeni ve eski DNA'nın karışımı ya da melezi olan iki DNA molekülü çıkar. Bu modelde her bir iplik yeni ve eski DNA'nın parçalarını taşır.
Zamanında bir çok biyolog tercihini yarı korunumlu modelden yana kullanırdı. Bu model DNA'nın birbiriyle eşleşen ve birbirini tamamlayan (T'lerin karşısına A, G'lerin karşısına C gelmesi gibi) sarmal yapısı göz önüne alındığında daha muhtemeldi2,4. Bu ilişki, yeni bir DNA molekülü üretimi sırasında bir ipliğin başka bir iplik için şablon olarak kullanılması fikrinin ortaya çıkmasını kolaylaştırdı.
Ancak biyolojide olması muhtemel olan çözümün her zaman doğru olmadığı bir çok örnek var. (Genetik materyal olarak proteinlerin incelendiğini hatırlayan var mı?) Bu örneklerden dolayı, hücrelerin DNA replikasyonu sırasında hangi modeli kullandığı deneylerle tespit edilmeliydi.

Meselson ve Stahl bulmacayı çözdüler

Matt Meseldon ve Franklin Stahl, Watson ve Crick DNA'nın yapısı ile ilgili makalelerini yayınladıktan bir yıl sonra 1954 yazında tanıştı. Bu iki araştırmacının araştırma alanları farklı olsa da DNA replikasyonu mekanizmasının gizemini çözme istediğiyle birlikte çalışmaya başladılar 5.

Meselson-Stahl deneyi

Meselson ve Stahl, DNA replikasyonu üzerine yaptıkları meşhur deneyi E. coli bakterisini model sistem olarak kullanarak yürüttüler.
Deneye E. coli bakterisini, azotun ağır bir izotopu olan 15N içeren bir deney ortamında çoğaltarak başladılar. (İzotop bir elementin diğer versiyonlarından çekirdeğindeki nötron sayısıyla ayrılan bir versiyonudur.) Ağır azot 15N içeren ortamda çoğalan bakteriler çoğalırken ortamdaki azotu kullanarak DNA gibi biyolojik maddeleri sentezlediler.
15N içeren ortamda bir kaç nesil çoğaldıktan sonra bakterilerin azotlu bazları, ortamda bulunan ağır 15N ile işaretlenmiş oldu. Sonrasında bakteriler ağır azot içeren ortamdan alınıp hafif azot 14N içeren ortama alındılar ve bir kaç nesil çoğalması için bu ortamda bırakıldılar. Bu değişimden sonra sentezlenen DNA'da yalnızca 14N bulunmalıydı çünkü DNA sentezinde kullanılmak üzere ortamda yalnızca hafif azot bulunmaktaydı.
Meselson ve Stahl E. coli hücrelerinin ne sıklıkla bölündüğünü biliyordu, böylece bakteri her çoğaldığında her nesilden biraz örnek alıp DNA'sını elde edip saflaştırdılar. Sonrasında elde ettikleri DNA'nın yoğunluğunu (dolaylı yoldan içindeki 14N ve 15N miktarını) yoğunluk gradyanlı santrifüj kullanarak ölçtüler.
Bu yöntem DNA molekülü gibi molekülleri yüksek hızda döndürerek bantlara ayırır. Sezyum klorür gibi başka moleküllerin varlığında moleküllerin yoğunluğa göre sıralandığı bir gradyan oluşur. Yoğunluk gradyanı 15N ve 14N'le işaretlenmiş DNA arasındaki gibi küçük farkların da tespit edilmesini sağlar.
CsCl, azot 14'le işaretlenmiş DNA ve azot 15'le işaretlenmiş DNA'nın test tüpünde yüksek hızlı santrifüjünün sonucunu gösteren bir diyagram. Test tüpündeki maddelerin yoğunlugu CsCl gradyanından elde ettiğimiz bilgiye dayanarak test tüpünün at kısmında yüksek üst kısmında ise düşüktür. Azot 14 ile işaretlenmiş DNA test tüpünün üstüne yakın bir bant oluştururken azot 15 ile işaretlenmiş olan DNA test tüpünün altına yakın bir noktada bant oluşturur. Bantların pozisyonları bize yaklaşık yoğunluklarına dair bilgi verir.
_Görselin uyarlandığı kaynak: "Meselson-Stahl experiment diagram en," Mariana Ruiz Villareal (serbest kullanım)._

Deneyin sonuçları

İlk dört E. coli neslinden elde edilen DNA'lar incelendiğinde aşağıdaki şekilde gösterilen bantlar elde edildi:
_Görselin uyarlandığı kaynak: "Basics of DNA replication: Figure 2," OpenStax College, Biology (CC BY 3,0). Orijinal sanat eseri: "Meselson-Stahl experiment diagram en," Mariana Ruiz Villareal (serbest kullanım)._
Bu sonuç Meselson ve Stahl'a ne anlatıyordu? Haydi önemli bilgiye sahip bu ilk bir kaç nesli biraz daha yakından inceleyelim.

Nesil 0

Deneyin başındaki hücrelerden izole edilen DNA ("0. nesil", 14N ortamına geçilmeden hemen önce) santrifüj edildikten sonra tek bir bant oluşturdu. Bu sonuç beklenildiği gibiydi çünkü o sırada DNA yalnızca ağır 15N azot içermekteydi.

Nesil 1

Bir nesil çoğaldıktan (bir kere replikasyon geçirdikten) sonra izole edilen DNA da santrifüj edildiğinde tek bir bant oluşturdu. Ancak bu bant bir öncekinden daha yukarıda bulunuyordu. Bant, konum olarak, ağır 15N içeren DNA ile hafif 14N içeren DNA arasındaydı.
Bu ortada oluşan bant, Meselson ve Stahl'a ilk tur replikasyon sonucu oluşan hücrelerin DNA'sının ağır ve hafif azot içeren DNA'nın bir melezi olduğunu işaret etti. Bu çıkan sonuç, parçalı ve yarı korunumlu modele uyarken korunumlu modele uymuyordu.
Korunumlu modele göre bu nesilde iki ayrı bant ortaya çıkmalıydı (ağır orijinal molekül ve yeni oluşan hafif moleküle ait iki ayrı bant.).

Nesil 2

İkinci nesilden elde edilen bilgiler Meselson ve Stahl'ın kalan modellerden (yarı korunumlu ve parçalı) hangisinin doğru olduğunu belirlemesine yardımcı oldu.
İkinci nesil DNA santifüjlendiğinde, iki bant oluştu. Bu bantların birincisi, ilk nesilde elde edilen ve ortada bulunan bantla aynı konumda, diğeri ise daha yüksekte yer alıyordu (ve yalnızca 14N ile işaretlenmiş olarak görünüyordu).
Bu sonuç, Meselson ve Stahl'ın, DNA replikasyonunun yarı korunumlu bir mekanizması olduğu sonucuna ulaşmalarını sağladı. İki ayrı bandın sahip olduğu örüntü; birinin hibrit molekülün konumunda, diğerinin ise daha hafif bir molekülün konumunda bulunması, aynen aşağıdaki şemada da gösterildiği gibi yarı korunumlu replikasyondan beklenen bir sonuçtu. Buna karşın, parçalı (dispersif) replikasyonda, her bir molekülün eski ve yeni DNA parçalarına sahip olması gerektiğinden, "tamamen hafif" bir molekül elde edilmesi olanaksızdır.
Meselson Stahl deneyini özetleyen şema. Başlangıçtaki DNA'nın hepsi azot 15 ile işaretlenmiş. Azot 14'lü ortama bakteri eklenmeden küçük bir DNA örneği alınıyor ve CSCl gradyanında santifüjlendiğinde, DNA tüpün alt kısmında tek bir bant oluşturuyor (sadece azot 15 ile işaretlenmiş DNA'yı işaret eder). Bu "0. nesil" olarak etiketleniyor.
Sonrasında azot 14'lü ortama bakteri ekleniyor ve dört nesil boyunca yetiştiriliyor. Büyümeleri yaklaşık olarak 20 daikaka süren nesillerin her birinden, bir DNA örneği alınıyor ve CsCl gradyanında santrifüjlenerek analiz ediliyor.
  • 0. nesil (yukarıya bakın). DNA'nın 100%'ü, azot 15 bandında.
  • 1. nesil. DNA'nın 100%'ü, azot 14 ve azot 15 arasında konumlanan bir bant oluşturuyor.
  • 2. nesil. DNA'nın 50%'si, azot 14 ve azot 15 arasında konumlanan bir bant oluşturuyor. Diğer %50'si ise azot 14 bandında.
  • 3. nesil. DNA'nın 25%'i, azot 14 ve azot 15 arasında konumlanan bir bant oluşturuyor. Diğer %75'i ise azot 14 bandında.
  • 4. nesil. DNA'nın 12%'si, azot 14 ve azot 15 arasında konumlanan bir bant oluşturuyor. Diğer %88'si ise azot 14 bandında.
Şeklin sağ paneli, bu sonuçların yarı korunumlu model ile nasıl açıklanabildiğini gösteren bir karikatür içeriyor. Başlangıçtaki çift sarmal, azot 15 ile işaretlenmiş (0. nesil). Bu sarmalın replikasyonu sonucu, her biri, bir azot 15 (eski) ve bir azot 14 (yeni) iplik içeren iki sarmal oluşur (1. nesil). Bu iki sarmalın replikasyonu sonucu dört sarmal oluşur, bunların ikisi azot 15/azot 14 melezidir, diğer ikisi de tamemen azot 14'ten yapılmıştır (2. nesil). 2. neslin replikasyonu sonucunda sekiz sarmal elde edilir, ikisi azot 15/azot 14 melezi, altısı tamemen azot 14'ten yapılmıştır (3. nesil). 3. neslin replikasyonu sonucu ise, on altı sarmal elde edilir; bunların ikisi azot 15/azot 14 melezi, on dördü ise tamamen azot 14'ten yapılmıştır (4. nesil).
_Görselin uyarlandığı kaynak: "Basics of DNA replication: Figure 2," OpenStax College, Biology (CC BY 3,0). Orijinal sanat eseri: "Meselson-Stahl experiment diagram en," Mariana Ruiz Villareal (serbest kullanım)._

3. ve 4. nesiller

Yarı korunumlu modelde, beklenen sonuç, ikinci nesile ait melez DNA'ların her birinin, üçüncü nesilde melez bir moleküle ve hafif bir molekül vermesi; hafif DNA'ların her birinin ise yalnızca hafif moleküller vermesidir.
Bunun sonucunda, üçüncü ve dördüncü nesilde, toplam DNA'nın daha küçük bir oranını temsil ettiği için melez bandın progresif olarak soluklaşmasını, hafif bandın ise daha büyük bir oranı temsil ettiği için progresif olarak güçlenmesini bekleriz.
Bu şekilde de görebileceğimiz üzere, Meselson ve Stahl da sonuçlarında buna benzeyen bir örüntü olduğunu görüp, DNA replikasyonunun yarı korunumlu olduğu sonucuna ulaştılar.

Sonuç

Meselson ve Stahl tarafından yapılan deney sonucunda, DNA replikasyon mekanizmasının yarı korunumlu olduğu yani DNA molekülündeki her bir ipliğin, yeni ve tamamlayıcı bir ipliğin sentezinde şablon olarak kullanıldığı ortaya çıktı.
Meselson ve Stahl deneylerinde E.coli bakterisini kullanmış olsalar da, bugün, yarı korunumlu replikasyon mekanizmasının, Dünya'da yaşayan tüm organizmalarca paylaşılan replikasyon mekanizması olduğunu biliyoruz. Hatta siz bunu okurken, hücrelerinizin bazıları yarı korunumlu olarak DNAlarının replikasyonunu gerçekleştirmekteler!

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap
Henüz gönderi yok.
İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.